PL238728B1 - System zabezpieczenia różnicowoprądowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ zabezpieczenia różnicowoprądowego przeznaczony do instalowania w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia, dla ochrony ludzi przed porażeniem prądem elektrycznym.

Znany jest z publikacji E. Skrzyneckiego „Zabezpieczenia różnicowoprądowe”, http://www.sonel.pl/pl/teoria-pomiarow/zabezpieczenia-roznicowopradowe.html, listopad 2016, Schemat obwodu zabezpieczonego wyłącznikiem różnicowoprądowym, w którym wejście fazowe systemu zabezpieczenia różnicowoprądowego stanowi wejście fazowe wyłącznika różnicowoprądowego zawierającego przekładnik prądowy Ferrantiego, którego wyjście fazowe stanowi wyjście fazowe systemu. Wejście neutralne systemu zabezpieczenia różnicowoprądowego stanowi wejście neutralne wyłącznika różnicowoprądowego zawierającego przekładnik prądowy Ferrantiego, którego wyjście neutralne stanowi wyjście neutralne systemu. Wyjście fazowe systemu zabezpieczenia różnicowoprądowego połączone jest z wejściem fazowym odbiornika energii elektrycznej. Wyjście neutralne systemu zabezpieczenia różnicowoprądowego połączone jest z wejściem neutralnym odbiornika energii elektrycznej. Wyjście ochronne systemu zabezpieczenia różnicowoprądowego połączone jest z wejściem ochronnym odbiornika energii elektrycznej. Wejście ochronne systemu zabezpieczenia różnicowoprądowego połączone jest z uziemieniem.

W przypadku zasilania większej liczby obwodów chronionych, znany układ powoduje powstawanie niepożądanych wyłączeń wyłącznika różnicowoprądowego wskutek sumowania się prądów upływności. W przypadku zasilania elektronicznych urządzeń impulsowych większej mocy, mogą występować przerwy w ich zasilaniu, co najczęściej przynosi wymierne straty.

Istota systemu zabezpieczenia różnicowoprądowego według wynalazku polega na tym, że końcówka pierwsza uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego Ferrantiego połączona jest z końcówką pierwszą rezystora pierwszego i z wejściem wzmacniacza pomiarowego, którego wyjście połączone jest z wejściem filtra dolnoprzepustowego. Wyjście filtra dolnoprzepustowego połączone jest z wejściem filtra górnoprzepustowego i z wejściem przetwornika, analogowo-cyfrowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych, którego wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego połączone jest z wejściem nieodwracającym wzmacniacza mocy. Wyjście filtra górnoprzepustowego połączone jest z wejściem odwracającym wzmacniacza mocy, którego wyjście połączone jest z końcówką pierwszą rezystora drugiego. Końcówka druga uzwojenia pierwotnego pierwszego przekładnika prądowego Ferrantiego połączona jest z wejściem fazowym wyłącznika różnicowoprądowego, a końcówka druga uzwojenia pierwotnego drugiego przekładnika prądowego Ferrantiego połączona jest z wejściem neutralnym wyłącznika różnicowoprądowego. Końcówka druga rezystora drugiego połączona jest z wyjściem neutralnym systemu według wynalazku.

System zabezpieczenia różnicowoprądowego według wynalazku umożliwia, dzięki zastosowaniu filtra górnoprzepustowego i układu przetwarzania sygnałów cyfrowych, analizę pasm częstotliwościowych prądów upływności oraz detekcję stanów rażenia prądem, co znacznie ogranicza ilość wyłączeń zasilania obwodów chronionych podnosząc poziom bezpieczeństwa ludzi znajdujących się w obrębie zasilanego obwodu. Ponadto system umożliwia, zasilanie większej liczby obwodów bez skutków występowania niepożądanych wyłączeń wyłącznika różnicowoprądowego, jak również ciągłe zasilanie elektronicznych urządzeń impulsowych mocy. Zwiększona złożoność budowy systemu według wynalazku, przez szeregowo włączony niezmodyfikowany w swej budowie wyłącznik różnicowoprądowy o klasycznej strukturze, nie wpływa na obniżenie poziomu bezawaryjnej pracy systemu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania Uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym układ blokowy systemu zabezpieczenia różnicowoprądowego.

Wejście We fazowe L systemu stanowi końcówka pierwsza uzwojenia pierwotnego pierwszego przekładnika prądowego Ferrantiego Tf, którego końcówka druga połączona jest, z wejściem fazowym wyłącznika różnicowoprądowego Rn. Wejście We neutralne N systemu połączone jest z poziomem odniesienia i z końcówką pierwszą uzwojenia pierwotnego drugiego przekładnika prądowego Ferrantiego Tf, którego końcówka druga połączona jest z wejściem neutralnym wyłącznika różnicowoprądowego Rn. Końcówka pierwsza uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego Ferrantiego Tf połączona jest z końcówką pierwszą rezystora pierwszego R1 i z wejściem wzmacniacza pomiarowego K, którego wyjście połączone jest z wejściem filtra dolnoprzepustowego FDP. Wyjście filtra dolnoprzepustowego FDP połączone jest z wejściem filtra górnoprzepustowego FGP i z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP, którego wyjście przetwornika cy

PL 238 728 B1 frowo-analogowego połączone jest z wejściem nieodwracającym wzmacniacza mocy Wm. Wyjście filtra górnoprzepustowego FGP połączone jest z wejściem odwracającym wzmacniacza mocy Wm, którego wyjście połączone jest z końcówką pierwszą rezystora drugiego R2. Końcówka druga rezystora pierwszego R1, wejście poziomu odniesienia wzmacniacza mocy Wm oraz końcówka druga uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego Ferrantiego Tf połączone są z poziomem odniesienia. Wyjście fazowe wyłącznika różnicowoprądowego Rn stanowi wyjście Wy fazowe L systemu według wynalazku. Wyjście Wy neutralne N systemu według wynalazku połączone jest z końcówką drugą rezystora drugiego R2 i z wyjściem neutralnym wyłącznika różnicowoprądowego Rn.

Zmienne napięcie z sieci elektroenergetycznej zasila wejście We fazowe L oraz wejście We neutralne N systemu według wynalazku.

W fazie pierwszej działania systemu według wynalazku, wyłącznik różnicowoprądowy Rn jest włączony i jego wejście fazowe jest zwarte z jego wyjściem fazowym, jego wejście neutralne jest zwarte z jego wyjściem neutralnym, a prądy upływności nie występują. Zmienne napięcie zasilające wejście We systemu według wynalazku powoduje przepływ zmiennego prądu przez uzwojenie pierwotne pierwsze przekładnika prądowego Ferrantiego Tf oraz przez wejście i wyjście fazowe wyłącznika różnicowoprądowego Rn do wyjścia Wy fazowego L. Zmienne napięcie zasilające wejście We systemu według wynalazku powoduje przepływ zmiennego prądu przez uzwojenie pierwotne drugie przekładnika prądowego Ferrantiego Tf oraz wejście i wyjście neutralne wyłącznika różnicowoprądowego Rn do wyjścia Wy neutralnego N. Wartości bezwzględne natężenia prądów płynących przez wejście We fazowe L oraz wejście We neutralne N są sobie równe i mają przeciwny znak, co powoduje, że zjawisko indukcji napięć w uzwojeniu wtórnym przekładnika prądowego Ferrantiego Tf nie zachodzi. Wyłącznik różnicowoprądowy Rn pozostaje w stanie włączenia.

W fazie drugiej działania systemu według wynalazku, wyłącznik różnicowoprądowy Rn jest włączony i jego wejście fazowe jest zwarte z jego wyjściem fazowym oraz jego wejście neutralne jest zwarte z jego wyjściem neutralnym, a dodatkowo pojawia się niezgodny ze wzorcem rażenia prąd upływności do ziemi na jednym z wyjść Wy. Zmienne napięcie zasilające wejście We systemu według wynalazku powoduje przepływ zmiennego prądu przez uzwojenie pierwotne pierwsze przekładnika prądowego Ferrantiego Tf oraz przez wejście i wyjście fazowe wyłącznika różnicowoprądowego Rn do wyjścia Wy fazowego L. Zmienne napięcie zasilające wejście We systemu według wynalazku powoduje przepływ zmiennego prądu przez uzwojenie pierwotne drugie przekładnika prądowego Ferrantiego Tf oraz przez wejście i wyjście neutralne wyłącznika różnicowoprądowego Rn do wyjścia Wy neutralnego N. Wartości bezwzględne natężenia prądów płynących przez wejście We fazowe L oraz przez wejście We neutralne N nie są sobie równe, w wyniku czego, zachodzi zjawisko indukcji napięć w uzwojeniu wtórnym przekładnika prądowego Ferrantiego Tf. Wyindukowane zmienne napięcie z końcówki pierwszej uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego Ferrantiego Tf podawane jest na wejście wzmacniacza pomiarowego K, w którym jest wzmacniane oraz na rezystor pierwszy R1, w którym jest normowane. Wzmocnione zmienne napięcie z wyjścia wzmacniacza pomiarowego K podawane jest na wejście filtra dolnoprzepustowego FDP, w którym pasmo częstotliwości składowych zmiennego napięcia jest ograniczane, w celu zapewnienia stabilności układu sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu mocy Wm oraz spełnienia warunku próbkowania sygnałów w układzie przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP. Odfiltrowane zmienne napięcie z wyjścia filtra dolnoprzepustowego FDP, podawane jest na wejście filtra górnoprzepustowego FGP i na wejście przetwornika analogowocyfrowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP. Odfiltrowane składowe wysokoczęstotliwościowe zmiennego napięcia wejściowego filtra górnoprzepustowego FGP z jego wyjścia podawane są na wejście odwracające wzmacniacza mocy Wm. Zmienne napięcie z wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP przetwarzane jest na postać cyfrową napięcia w przetworniku analogowo- cyfrowym układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP i poddawane jest przetwarzaniu cyfrowemu, które pozostawia w sygnale, składowe, niecharakterystyczne dla rażenia prądem elektrycznym. Przetworzony sygnał konwertowany jest w przetworniku cyfrowo-analogowym na postać analogową napięcia i z wyjścia przetwornika cyfrowo-analogowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP podawane jest na wejście nieodwracające wzmacniacza mocy Wm, gdzie sumowane jest ze zmiennym napięciem z jego wejścia odwracającego i wzmocnione podawane jest na wyjście wzmacniacza mocy Wm. Wzmocnione napięcie z wyjścia wzmacniacza mocy Wm podane na rezystor drugi R2 powoduje przepływ zmiennego prądu, który dodaje się do zmiennego prądu płynącego do wyjścia Wy neutralnego N systemu według wynalazku i kompensuje niezgodny ze wzorcem rażenia prąd upływności do ziemi, powodując zanik zjawiska

PL 238 728 B1 indukcji napięć w uzwojeniu wtórnym przekładnika prądowego Ferrantiego Tf oraz powstrzymanie wyłącznika różnicowoprądowego Rn przed nieuzasadnionym rozłączeniem obwodów chronionych.

W fazie trzeciej działania systemu według wynalazku wyłącznik różnicowoprądowy Rn jest włączony i jego wejście fazowe jest zwarte z jego wyjściem fazowym oraz jego wejście neutralne jest zwarte z jego wyjściem neutralnym, a dodatkowo pojawia się zgodny ze wzorcem rażenia prąd upływności do ziemi na jednym z wyjść Wy. Zmienne napięcie zasilające wejście We systemu według wynalazku powoduje przepływ zmiennego prądu przez uzwojenie pierwotne pierwsze przekładnika prądowego Ferrantiego Tf oraz przez wejście i wyjście fazowe wyłącznika różnicowoprądowego Rn do wyjścia Wy fazowego L. Zmienne napięcie zasilające wejście We systemu według wynalazku powoduje przepływ zmiennego prądu przez uzwojenie pierwotne drugie przekładnika prądowego Ferrantiego Tf oraz wejście i wyjście neutralne wyłącznika różnicowoprądowego Rn do wyjścia Wy neutralnego N. Wartości bezwzględne natężenia prądów płynących przez wejście We fazowe L oraz wejście We neutralne N nie są sobie równe w wyniku czego zachodzi zjawisko indukcji napięć w uzwojeniu wtórnym przekładnika prądowego Ferrantiego Tf. Wyindukowane zmienne napięcie z końcówki pierwszej uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego Ferrantiego Tf podawane jest na wejście wzmacniacza pomiarowego K, w którym jest wzmacniane oraz na rezystor pierwszy R1, w którym jest normowane. Wzmocnione zmienne napięcie z wyjścia wzmacniacza pomiarowego K podawane jest na wejście filtra dolnoprzepustowego FDP, w którym pasmo częstotliwości składowych zmiennego napięcia jest ograniczane, w celu zapewnienia stabilności układu sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu mocy Wm oraz spełnienia warunku próbkowania sygnałów w układzie przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP. Odfiltrowane zmienne napięcie z Wyjścia filtra dolnoprzepustowego FDP, podawane jest na wejście filtra górnoprzepustowego FGP i na wejście przetwornika analogowo-cyfrowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP. Odfiltrowane składowe wysokoczęstotliwościowe zmiennego napięcia wejściowego filtra górnoprzepustowego FGP z jego wyjścia przyjmują wartość zerową napięcia, która podawana jest na wejście odwracające wzmacniacza mocy Wm. Zmienne napięcie z wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP przetwarzane jest na postać cyfrową napięcia w przetworniku analogowo-cyfrowym układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP i poddawane jest przetwarzaniu cyfrowemu, które pozostawia w sygnale niecharakterystyczne dla rażenia prądem elektrycznym składowe, co skutkuje wyzerowaniem sygnału. Przetworzony zerowy sygnał konwertowany jest w przetworniku cyfrowo-analogowym na postać analogową napięcia, która przyjmuje zerową wartość i z wyjścia przetwornika cyfrowo-analogowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych uDSP zerowe napięcie podawane jest na wejście nieodwracające wzmacniacza mocy Wm, gdzie sumowane jest z napięciem z jego wejścia odwracającego i wzmocnione podawane na wyjście wzmacniacza mocy Wm. Zerowe napięcie z wyjścia wzmacniacza mocy Wm podane na rezystor drugi R2 nie powoduje przepływu prądu i w efekcie kompensacja prądu upływności nie występuje. Nieskompensowany prąd upływności z kolei powoduje zadziałanie zabezpieczenia - wyłącznika różnicowoprądowego Rn i rozłączenie jego wejścia fazowego z jego wyjściem fazowym oraz jego wejścia neutralnego z jego wyjściem neutralnym. Wyłączenie wyłącznika różnicowoprądowego Rn powoduje przejście do fazy czwartej działania systemu według wynalazku.

W fazie czwartej działania systemu według wynalazku, wyłącznik różnicowoprądowy Rn jest wyłączony i jego wejście fazowe jest rozwarte z jego wyjściem fazowym, a jego wejście neutralne jest rozwarte z jego wyjściem neutralnym. Zmienne napięcie zasilające wejście We systemu według wynalazku jest odłączone od wyjścia Wy i obwód podłączony do wyjścia Wy nie jest zasilany, co powoduje zanik prądu upływności, który powodował rażenie prądem.

System według wynalazku pozostaje w fazie czwartej aż do momentu włączenia przez operatora włącznika różnicowoprądowego Rn. Wyjście z fazy czwartej działania systemu według wynalazku powoduje jego przejście do jednej z trzech pierwszych faz: pierwszej lub drugiej lub trzeciej.

Claims (1)

1. System zabezpieczenia różnicowoprądowego, w którym wejście fazowe stanowi końcówka pierwsza uzwojenia pierwotnego pierwszego przekładnika prądowego Ferrantiego, a wejście neutralne połączone jest z końcówką pierwszą uzwojenia pierwotnego drugiego przekładnika prądowego Ferrantiego, przy czym wyjście fazowe wyłącznika różnicowoprądowego stanowi wyjście fazowe, a wyjście neutralne połączone jest z wyjściem neutralnym

PL238 728 Β1 wyłącznika różnicowoprądowego, znamienny tym, że końcówka pierwsza uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego Ferrantiego (Tf) połączona jest z końcówką pierwszą rezystora pierwszego (R1) i z wejściem wzmacniacza pomiarowego (K), którego wyjście połączone jest z wejściem filtra dolnoprzepustowego (FDP), wyjście filtra dolnoprzepustowego (FDP) połączone jest z wejściem filtra górnoprzepustowego (FGP) i z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego układu przetwarzania sygnałów cyfrowych (uDSP), którego wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego połączone jest z wejściem nieodwracającym wzmacniacza mocy (Wm), wyjście filtra górnoprzepustowego (FGP) połączone jest z wejściem odwracającym wzmacniacza mocy (Wm), którego wyjście połączone jest z końcówką pierwszą rezystora drugiego (R2), przy czym końcówka druga uzwojenia pierwotnego pierwszego przekładnika prądowego Ferrantiego (Tf) połączona jest z wejściem fazowym wyłącznika różnicowoprądowego (Rn), a końcówka druga uzwojenia pierwotnego drugiego przekładnika prądowego Ferrantiego (Tf) połączona jest ż wejściem neutralnym wyłącznika różnicowoprądowego (Rn), zaś końcówka druga rezystora drugiego (R2) połączona jest z wyjściem (Wy) neutralnym (N).